原创《基于Abaqus的旋耕刀有限元分析》
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周 姜1,王 春2,苏宇翔2
（1.东台市渔舍农场,江苏盐城 224200；
2.东台市农业机械化推广服务站,江苏盐城 224200）
摘 要：以旋耕刀为研究对象,运用UG软件建立了旋耕刀的三维模型,然后通过有限元软件Abaqus对其进行了应力、变形和位移分析.分析结果表明：旋耕刀变形最大应力区域在刀柄与刀背连接孔处,与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致；最大位移处在旋耕刀的正切部,表明正切部刚度最差.
关键词：旋耕刀；Abaqus；有限元分析
0 引言
旋耕机是一种由动力驱动旋耕刀辊完成耕耙作业的机械,在我国大部分地区均有广泛使用,具有良好的应用前景.旋耕机通过将动力传递给旋耕刀,使旋耕刀与土壤间相互作用,实现翻土和碎土,并消灭杂草、覆盖残茬以及改良土壤.旋耕刀是旋耕机的重要工作部件之一,也是旋耕机中承受载荷最大的工作部件,刀片的形状与参数直接影响旋耕机的功耗和作业效果.传统的旋耕刀片设计方法往往是通过加大安全系数来满足强度要求,通过实际使用发现,按这种方法设计出的刀片强度过于保守,结构和尺寸难以实现优化[1].
1 旋耕刀的结构和工作原理
旋耕刀主要由侧切面（包括侧切刃）、过渡面（包括过渡刃）和正切面（包括正切刃）组成,如图1所示.侧切面具有切开土生,切断或推开草茎、残茬的功能；正切面除了切土外还具有翻土、碎土、抛土等功能[2].
旋耕刀在工作中受到的载荷受很多因素的影响,主要有刀轴转速、机组前进速度、耕深、土壤含水率、土壤坚实度和土质等.此外,残茬、旋耕刀的类型及排列诸因素对此也产生不同程度的影响[3].
旋耕刀受力与发动机功率的关系为[4]：
对于该机型,其发动机功率P等于6KW,作业时刀轴转速n1等于270r/min,回转半径R等于220mm,代入（2）式后可得F等于500N.
2 旋耕刀的有限元模型
三维实体模型主要运用描点法和参数法.由于描点法建立模型迅速和准确,在三维软件UG中采用描点法建立旋耕刀三维实体模型.先求取旋耕刀基本平面上各点的坐标,然后用光滑曲线把每个点连接起来,形成旋耕刀的基本曲面形状,运用拉伸、旋转和切割等命令,建立出旋耕刀三维实体模型.为了研究旋耕刀的强度特性,计算工作载荷下的变形,将模型进行适当简化和抽象,忽略一些圆角、倒角等细微特征.简化后的模型结构如图2所示.
将模型保存为stp格式的文件后,导入有限元软件Abaqus中进行分析.旋耕刀材料选取65Mn钢,密度为7.83×103kg/m3,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3,旋耕刀通过安装孔固定在辊刀座上,因此在旋耕刀安装孔处施加固定约束.在正切刃和侧切刃处施加法向均布载荷,载荷的合力大小为500N.最后对旋耕刀进行网格划分,建立旋耕刀的有限元模型,如图3所示.单元类型为C3D8R（八节点线性六面体缩减积分单元）,单元数5937,结点数8548,通过求解器对其进行隐式静力分析.
3 结果分析
应力分析结果如图4所示,可以看出：应力最大处发生在被约束部位安装孔附近,即刀柄与刀背连接处,产生了较大应力集中,最大应力值为168MPa,与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致,验证了仿真分析的可靠性.
如上图所示,旋耕刀总变形最大处发生在离固定约束最远处,即旋耕刀的正切部,大小为0.96mm,表明正切部刚度最差,在设计时应当注意提高刀尖的刚度.
4 结语
本文分析了旋耕刀的结构和工作原理,计算出某新型旋耕机单个刀具的载荷,然后用UG软件建立了旋耕刀的三维模型,并基于有限元软件Abaqus对其进行了应力、变形和位移分析.分析结果表明：旋耕刀变形最大应力区域在刀柄与刀背连接孔处,与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致；最大位移处在旋耕刀的正切部,表明正切部刚度最差.该结论验证了有限元分析的可靠性,为旋耕刀的进一步优化设计提供了参考依据.
参考文献
[1] 朱留宪,杨玲,朱超,等.基于ANSYS Workbench的微耕机旋耕刀有限元分析[J].机械研究与应用,2014,27（1）：88-89.
[2] 孔令德,张认成.旋耕刀研究的现状与展望[J].江苏理工大学学报,1997,18（3）：6-13.
[3] 杜新武,余秀芳,郑治华等.基于SolidWorks的旋耕刀设计有限元分析[J].科技信息,2013,（18）：38-39.
[4] 朱超,朱留宪,黄成.基于FEM-SPH耦合算法的土壤切削仿真研究[J].农机化研究,2015,（09）：54-57.
有限元分析论文参考资料：
结论，上述文章是一篇适合不知如何写旋耕刀和有限元分析和Abaqus方面的有限元分析专业大学硕士和本科毕业论文以及关于有限元分析论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料。
